A broadband achromatic metalens in the visible
原创作者：胡铁 纳米光子实验室 华中科技大学 目前研究方向：可见光宽谱介质偏振计
——||背景介绍||——
超透镜由表面上的一系列光学纳米天线组成，能够控制入射光波前的特性。已经使用超透镜设计证明了各种平面光学元件，例如偏振器，光学成像编码器，可调相位调制器和后向反射器。对于彩色成像和显示应用而言尤其成问题的一个开放问题是色差的校正，色差是源自每个纳米天线的特定共振和有限工作带宽的固有效应。因而，目前没有工作于可见光波段的全色成像超透镜。南京大学的Shuming Wang等人于2018年提出一种通过相位补偿来消除色差的新机制，并且设计证明了一种工作于可见光的宽谱消色差超透镜。
——||创新点||——
创新性提出了通过相位补偿来消除色差的新机制，首次设计证明了以透射方式工作于整个可见光波段的消色差超透镜。入射波长在400到660nm之间变化时，超透镜的焦距保持不变，证明在中心工作波长（530nm）的约49％带宽处完全消除了色差。在整个可见光波段，数值孔径为0.106的超透镜的平均效率约为40％。
——||基本原理||——
①
② 利用P-B相位，满足设定波长的超透镜相位，从而使与波长无关固定相位补偿量与波长相关的相移量分离；
③ 精巧设计和摆放集成谐振单元（integrated-resonant unit element，IRUE）,可以满足整个超透镜表面需要的相移；
④ 综合利用GaN纳米柱的实心结构和反结构IRUE，实现不同范围的相移量，从而增加设计的自由度和简易性。
——||图文一览||——
图一： 可见光波段的消色差超透镜集成谐振单元
(a) IRUE的圆偏振转换效率（红色曲线）和相位轮廓（蓝色曲线），相位补偿为1050°。内插图为实心结构的IRUE。
(b) IRUE的圆偏振转换效率（红色曲线）和相位轮廓（蓝色曲线），相位补偿为1080°。内插图为反对称结构的IRUE。
(c) 相位补偿为1050°的归一化磁场能量。黑色虚线表示一个单元结构的边界。
(d) 相位补偿为1080°的归一化磁场能量。
小结：Fig.1(a),(b)表明，精心排列和旋转这些IRUE，能够精确地提供所需的相位补偿和与其空间位置相对应的基本相位。Fig.1(c),(d)表明，相邻IRUE的耦合很弱，对光场的约束较强。同时证明了实心结构和反结构都产生了类波导腔谐振。
图二：消色差超透镜的实验验证
(a) NA=0.106的加工消色差超透镜的光学图。虚方形线框代表图(b),(c)中SEN图的取样点。尺寸图：10μm。
(b) 纳米柱结构的放大SEM图（俯视图）。
(c) Babinet 结构的放大SEM图（俯视图）。
(d) 在不同波长的入射条件下，消色差超透镜的实验光强分布图。图中白虚线标注焦平面焦距所在的位置。
(e) 实验证明宽带消色差超透镜性能与加工工艺的光学装置图
小结：证明IRUE的加工结构受限性好。在整个可见光波段，消色差超透镜的焦距几乎没变。
图三：宽谱消色差超透镜的性能
(a) 不同NA的消色差超透镜焦距随波长关系图
(b) 不同NA的消色差超透镜的工作效率图。
(c) FWHM随波长的关系图。
小结：通过对不同NA的消色差超透镜的焦距、效率和FWHM的实验测定，可以看出设计的消色差超透镜能在可见光谱宽内实现消色差。通过结构的优化以及增加IRUE的高度（引进更多的谐振模式，从而可以实现更高的相位补偿）。
图四：用NA=0.106的消色差超透镜成像
(a,c) 用消色差超透镜对1951 USAF分辨率测试表成像图；
(b)；用单色超透镜对1951 USAF分辨率测试条成像图。尺寸条：4 μm；
(d-f) 未进行彩色校正条件下，用消色差超透镜全彩Alcedinidae成像；
(g-i) 未进行彩色校正条件下，用消色差超透镜全彩Alcedinidae成像；
小结：用单色超透镜对1951 USAF成像是，边缘会出现彩色模糊光斑，而用消色差超透镜对1951 USAF分辨条成像时没有模糊，最小分辨率达到2.19 μm，与图三中FWHM相吻合。通过在整个可见光波段中中结合IRUE和P-B相位的方法，证明消除色散效应的有效性。
——||结论||——
作者提出了一种基于GaN的谐振单元在可见光波段工作的宽带消色差超透镜。 通过将集成谐振单元（IRUE）与P-B相位方法结合来实现用于实现消色差超透镜的所需相位分布。 使用1951 USAF分辨率测试图表，展示了透射方式下的全彩色成像性能。 考虑到其紧凑的尺寸，这种消色差超透镜可用于超透镜阵列，这可能有望在光场相机中进行消色差成像。 此外，通过将其与传统光学装置相结合，可以改善消色差超透镜的性能和尺寸。 最后，低成本和CMOS工艺兼容性使该超透镜适用于纳米光子学和可见光中的集成光学应用。
文献链接：Wang S, Wu P C, Su V C, et al. A broadband achromatic metalens in the visible[J]. Nature nanotechnology, 2018, 13(3): 227. https://www.nature.com/articles/s41565-017-0052-4
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-017-0052-4
Publication Date (Web): 29 January 2018
